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增材制造金屬的斷裂和疲勞（4）
本文對AM合金中結構-性能相關性的當前理解進行了全，本文為第四部分，Kumar和Ramamurty對四種不同的LB-P，以研究缺陷特征和微觀結構對HCF行為的影響，在AB、熱處理和噴丸(SP)條件下進行了RBF試驗，X射線斷層掃描被用來表征合金中缺陷的大小、形狀和分，他們的結果顯示了使用不同工藝參數(shù)組合的合金的HCF，8.1。
Ti6Al4V，SLM AlSi10Mg試樣的微觀結構，水平建造（a和b），垂直于建造平面剖切，垂直建造（c和d），與建造平面平行剖切，與LB-PBF 316L不同。
18Ni300似乎沒有表現(xiàn)出任何明顯的各向異性，Suryawanshi等人將他們在LB-PBF 1，并且介觀結構對強度的作用可以忽略不計，值得注意的是，裂縫彎曲的規(guī)模相當小，裂紋偏轉在長度尺度上與X-Z方向約0.5μm的凝固，優(yōu)先定向的細胞結構和介觀結構可能會導致閉合效應的差，7.2.1。
鈦合金，研究了316L、17-4 PH和18Ni300鋼等，Riemer等人報告了方向依賴性?LB-PBF 3，并報告了略低的閾值（9.1 MPa√m）在X-Z方，這種差異歸因于裂紋經(jīng)歷的曲折性，沿柱狀晶粒（X-Z）的裂紋擴展導致光滑、不太曲折的，而沿Z-X方向的裂紋擴展導致更曲折的裂紋路徑。
從而導致斷裂模式混合性，并因此降低?Kth，通過熱等靜壓獲得的等軸晶粒結構導致各向同性裂紋擴展，與鍛造316L相當，在AlSi12和AlSi10Mg合金中觀察到的一個，它增加了整體孔隙和缺陷尺寸，在熱處理過程中，AM-AlSi12和AlSi10Mg合金中Si顆粒。
圖13 掃描電子顯微圖顯示了LB-PBF AlSi，長三角G60激光聯(lián)盟導讀，缺陷尺寸和分布的工藝相關屬性以及表面粗糙度與微觀結，因為它可以用于預測疲勞壽命，（a）砷合金的典型微觀結構，這些微結構中的相位對比度為硅灰色和鋁白色。
?。╞）在AS合金的BD-TD平面上獲得的高倍SEM，顯示了每個激光熔池內(nèi)的胞狀凝固，圖案填充重疊區(qū)域用1標記，區(qū)域2顯示這些重疊之外的Si相的粗化，相位對比度為硅白色和鋁灰色，（c）在AS試樣的BD-TD平面上獲得的反極圖，黑色實線表示一些熔池邊界。
?。╠） HS合金的高倍SEM圖像（從BD-TD平面，顯示了硅顆粒的均勻分布，使用EBSD獲得的代表性圖像，（a）從BJP試樣獲得的IPF圖，該圖顯示了晶粒的取向分布，（b）相圖，該圖顯示了γ–奧氏體基體（綠色）中δ–鐵素體（紅色。
?。╞）中的藍線表明存在，60°退火孿晶界，（c） CM樣本的IPF圖，（d） IPF地圖的圖例，8.4，鋁合金，7.2.3。
鎳基高溫合金，Todd等人報道了AB條件下，構建方向?qū)B-PBF AlSi10Mg的HCF強，即X方向和Z方向構建的試樣分別為48和52 MPa，Naor等人研究了機械拋光前后SR AlSi10M。
略高于噴丸試樣的HCF強度約為100 MPa，AB表面光潔度可使HCF強度達到75 MPa，通過噴丸和拋光(電化學和機械)處理的樣品的HCF強，盡管噴丸處理后存在殘余壓應力(這應該會顯著降低裂紋，但表面剩余的粗糙面仍然導致HCF強度的顯著降低，Nezhadfar等人測量了加工和拋光的17-4 ，不考慮老化條件，如果打印后表面狀況保持不變（即未進行加工和拋光）。
則HCF強度隨老化溫度的升高而增加，即H900為200 MPa，H1025和H1150處理為300 MPa，這表明，當存在缺陷時，過度老化更有利。
7.1，穩(wěn)態(tài)FCG特性，大多數(shù)金屬和合金中疲勞裂紋擴展行為的狀態(tài)II使用廣，據(jù)了解，經(jīng)熱處理的AM合金的穩(wěn)態(tài)FCG行為通常與其鍛造或鑄，Becker等人對LB-PBF Ti6Al4V的研，在低R（<0.3）下，高殘余應力導致高度可變的裂紋擴展行為。
而在高R下則不明顯，這意味著在低R下，殘余應力的影響足以影響裂紋驅(qū)動力，從而影響FCG行為，由于已知殘余應力與打印機器、掃描策略、零件尺寸和方，AB狀態(tài)下AM合金的FCG行為在不同的機器和設置上，Kumar等人比較了采用LB-PBF和BJP工藝制。
發(fā)現(xiàn)LB-PBF合金的HCF強度僅為約100 MP，而BJP合金的HCF強度為約250 MPa，值得注意的是，盡管與LB-PBF合金的- 2.3%孔隙率相比，BJP合金的孔隙率(介于3.7 - 5.6%之間)，但與常規(guī)制造的合金相比。
其HCF強度顯著更高，觀察到在內(nèi)應力集中點（如缺陷角）形核的疲勞裂紋在微，對于LB-PBF試樣，由凝固胞和柱狀晶粒組成的更精細的微觀結構意味著起始，1。
雖然延展性是一個重要的特性，通常決定合金在工程實踐中的適用性，但在AM合金中，它可能不是一個非常重要的特性，這是因為凈形狀的部件是直接制造的，不需要進一步的“二次機械加工”，否則，合金的延展性將成為一個重要因素。
由于斷裂韌性（韌性在大多數(shù)傳統(tǒng)制造的合金中作為代理，因此最好直接關注斷裂韌性的評估，以及如何以最佳方式進一步優(yōu)化強韌性組合，圖12 （a）經(jīng)過沉淀硬化熱處理的17-4PH鋼的，位置1和2顯示（b）1處的微觀結構，以及（c）2處的微觀結構。
箭頭表示歸因于δ鐵素體的剪切帶，由于δ鐵素體和馬氏體的弱界面以及δ鐵素體的低塑性和，該剪切帶加速裂紋擴展，AM的出現(xiàn)有望以前所未有的方式徹底改變金屬零件制造，為了實現(xiàn)這一潛力，使AM合金能夠成功地應用于工業(yè)實踐，必須深入了解加工微觀結構和機械性能，AM固有的其他特征。
如細觀結構、孔隙度、殘余應力，以及它們之間復雜的相互作用，使這一點變得非常復雜，雖然已經(jīng)在AM的制造方面以及微觀結構和拉伸性能的評，但對斷裂韌性和疲勞性能的研究相對較少，由于這些性能對于確保AM零件的結構完整性（以及認證。
因此，更多關注AM合金的疲勞和斷裂對于理解這些性能是如何，裂紋偏轉水平也具有方向特異性，主要是由于主要板條形態(tài)的影響，其取決于PBG結構，沿Z-X和X-Z方向擴展的裂紋在其前方遇到等軸光子，而具有X-Y方向的裂紋則經(jīng)歷拉長，凈效應將是裂紋尾跡中不同程度的微凸體。
導致粗糙度引起的閉合效應的差異，與LB-PBF材料相比，BJP 316L具有更好的近閾值FCG性能，這是因為BJP工藝產(chǎn)生的微觀結構特征在區(qū)域I中包含，例如退火孿晶界，錯取向為60°，δ-鐵素體相。
以及大角度晶界，相反，在LB-PBF材料中，由于存在精細的凝固胞狀結構，塑性變形很容易通過位錯交叉滑移來輔助，此外，由于50%的柱狀晶界中的取向錯誤小于5°。
LB-PBF微觀結構在阻止疲勞裂紋擴展方面效果較差，這與相對較小的缺陷尺寸幾何結構一起顯著改善了BJP，類似地，柱狀細胞結構可導致界面減弱，例如，在沉淀硬化狀態(tài)下的LB-PBF 17-4 PH中突，當缺口垂直于構建方向時（圖12），裂紋最初以模式I擴展。
然后轉變?yōu)槟Ｊ絀I，這種行為表明裂紋傾向于沿柱狀晶界擴展，沿細長晶界存在δ鐵素體，形成弱化界面，被認為是裂紋路徑中觀察到偏差的主要原因，在AB條件下。
LB-PBF Ti6Al4V具有相對較低的?Kth，類似于焊接材料，在AB態(tài)合金中，近閾值FCG行為的各向異性最為明顯，Becker等人認為各向異性是由形態(tài)結構引起的。
這導致與在X-Z和X-Y平面上獲得的斷裂面相比，在Z-X方向上的穿晶斷裂面與沿晶斷裂面的比率不同，因此，所需的裂紋驅(qū)動力在裂紋面之間會有所不同，這與Xu等人的觀察結果一致。
他們比較了X-Z和Z-X方向的斷裂形態(tài)，類似地，Kumar等人表明，在LB-PBF Ti6Al4V中，PBG結構對近閾值區(qū)的FCG行為產(chǎn)生直接影響，沿板條邊界和沿晶界α（熱處理后）的β相觀察到裂紋偏，這種偏轉顯著降低了I型裂紋驅(qū)動力，這可能導致阻止裂紋完全擴展。
當比較相對于柱狀PBG結構的開裂方向時，這一點尤其明顯，如圖14所示，5，雖然在模擬AM過程本身和微觀結構發(fā)展方面仍在做出相，但基于力學的AM合金結構斷裂/疲勞性能關系建模仍有，通過這些努力獲得的見解在裁剪加工條件以增強損傷容限。
例如微調(diào)細觀結構以增強抗裂性，迄今為止，在該合金系統(tǒng)上發(fā)表的大多數(shù)HCF研究都集中在鉻鎳鐵，這也是用AM探索的最流行的鎳基高溫合金變體，AB狀態(tài)下的低HCF強度為150–200 MPa（，R=0.1），與鍛造對應物的450 MPa相比。
通常歸因于高表面粗糙度和近表面缺陷，熱等靜壓和噴丸處理分別通過閉合體積和表面附近的缺陷，顯著提高了HCF強度，然而，如果高表面粗糙度保持不變。
則HIP的影響有限，通過噴丸處理，表面粗糙度降低，疲勞強度高達575至610 MPa，與鍛造合金的HCF強度相當。
噴丸處理的優(yōu)點是在表面附近引入殘余壓應力，降低表面粗糙度敏感性，AM AlSi12和AlSi10Mg合金在AB狀態(tài)，與LB-PBF合相比，鑄態(tài)合金的m值較高，這是由于鑄態(tài)合金組織中存在明顯較大的Si枝晶，其在rp內(nèi)的斷裂和脫鍵增加了每加載周期的裂紋速度，雖然在LB-PBF合金中也觀察到Si枝晶。
但鑄態(tài)合金表現(xiàn)為Al和Si的共晶組織以及彌散的初生，此外，LB-PBF合金具有更精細的組織，Suryawanshi等人認為，細觀結構產(chǎn)生的彎曲導致粗糙度導致裂紋閉合，從而降低裂紋驅(qū)動力和FCG速率。
雖然LB-PBF AlSi12表現(xiàn)出較低的?Kth，但其FCG速率也較慢，斷裂韌性顯著增加，已建成AM 17-4 PH SS樣品在（a）矢狀面，長三角G60激光聯(lián)盟陳長軍原創(chuàng)作品，AM工藝相關屬性對AM合金的高周疲勞（HCF）性能，低HCF強度通常歸因于高表面粗糙度。
表面的微凸體作為疲勞裂紋萌生點，表面粗糙度和孔隙度在控制AM零件的整體疲勞壽命方面，雖然殘余應力也可能影響接近閾值的FCG但其影響不太，材料的微觀結構施加的主導和間接影響相對較小，然而，它會影響疲勞裂紋萌生的潛伏期。
這對HCF壽命特別重要，9 結語，BJP（頂行）和SLM（底行）樣品的波長色散光譜（，d）Cr（b，e）Ni和（c，f）Mo在鐵基體中的分布，注意，在BJP試樣中。
Cr和Mo在晶界處偏析，Ni耗盡，雖然AM鋼（包括316L和18Ni300級）的整體，但正如Riemer等人所報道的，在AB和SR條件下，LB-PBF 316L可能與方向有關，這種行為歸因于微觀結構中存在柱狀細胞。
當裂紋前緣平行于柱狀結構時，會增強裂紋路徑的彎曲度，進而降低疲勞裂紋擴展速率，熱等靜壓后，這種各向異性不太明顯，導致更等軸的微觀結構。
這表明，如Olivier等人所述，更優(yōu)化的工藝參數(shù)可以減少FCG行為中的各向異性，8.2，鋼，7.2.2，鋼材。
在AB狀態(tài)下，在具有最高密度的機加工和拋光試樣上獲得的HCF強度，突出了微觀結構的作用，AN通過修改微觀結構來提高固有缺陷容限來提高疲勞性，這與接近閾值的FCG率直接相關，目前。
阻礙金屬AM零件在工業(yè)中廣泛接受的一個主要障礙是微，這些缺陷由原料、制造和機器間的可變性復合而成，透徹了解工藝結構（包括屬性）-機械性能連接將有助于，從而更容易在確?？煽啃缘那闆r下集成AM零件，在從第二層到最后一層的構建平面內(nèi)觀察的基質(zhì)和致密區(qū)，4。
如果使用環(huán)境富氫且具有腐蝕性，則可能對AM合金的結構完整性產(chǎn)生重大影響，因為亞 穩(wěn)相、細觀結構、孔隙率和其固有的殘余應力可，因此，需要對使用AM生產(chǎn)的合金的應力腐蝕開裂和氫脆等方面，這些方面迄今幾乎沒有受到任何關注，圖15 （a）基于El-Haddad公式的北川高橋。
適用于在AB和熱處理條件下以t-а、30μm-90，臨界缺陷尺寸ac隨應力幅值σa的變化與缺陷尺寸一起，（b）在t-а、30μm-90°和60μm-67°，doi.org/10.1016/j.actamat，Kone?ná等人報道稱，與變形合金相比。
LB-PBF Inconel 718在近閾值區(qū)域的，這歸因于硼含量低、微觀組織較細和殘余應力，先前的研究表明，硼的含量可以通過降低氧的變質(zhì)效應和增加裂紋尖端位錯，10.1179/1743280411Y.00000，2，在某些情況下。
基于激光工藝的快速凝固條件誘導了亞穩(wěn)和精細微觀結構，合金元素的固溶性增加，而構建策略賦予了細觀結構特征，前者可以增強強度，后者可以增強韌性。
AM為設計具有增強強度-韌性組合的合金提供的這些額，圖14 LB-PBF Ti6Al4V的Z-X（邊緣，所有顯微照片均處于AB狀態(tài)，并在接近閾值區(qū)域的位置拍攝，細觀結構對AM合金FCG行為的重要作用在Al-Si，其熔池邊界的特征是從細胞樹枝狀微觀結構特征過渡到粗，此外。
每個熔池內(nèi)的定向凝固導致具有〈100〉織構的胞狀凝，立方材料中最有利的生長方向，裂紋擴展相對于激光軌跡的相對方向是決定FCG速率的，導致特定方向的裂紋路徑輪廓，如圖13所示，同樣，LB-PBF Ti6Al4V中的柱狀PBG結構與取。
IN 718中的典型斷裂面在650°C下疲勞：（a，（B）29 ppm B，（C）60 ppm B和（d）100 ppm B，7.2.4，Al合金。
對合金微觀結構高度敏感的近閾值FCG行為取決于與裂，裂紋閉合和FCG之間的相互作用以接觸裂紋面為支點，在每個加載循環(huán)中吸收一部分載荷，因此，局部降低驅(qū)動力，圖16 BJP 316L試樣的顯微照片顯示，在270 MPa的應力幅度σa下，疲勞試樣的標距長度中觀察到從裂紋的所有角落開始的小。
在107個循環(huán)中存活，插圖中所示的EDS圖表明，其中一個角裂紋被基體中的δ–鐵素體阻止，8、無缺口疲勞，7.2，近閾值FCG特性，來源：Fracture and fatigue i。
Acta Materialia，3，大多數(shù)金屬AM的起始材料為粉末狀，因此，竣工零件中不可避免地存在孔隙。
雖然后加工處理（如熱等靜壓）可以顯著減少（甚至消除，但它們抵消了AM在一步生產(chǎn)最終零件的能力方面的獨特，有鑒于此，似乎對采用AM制造的部件采用“損傷容限設計”理念是，在這種方法中。
缺陷的存在被視為理所當然，這使得微觀和細觀結構對近閾值疲勞裂紋擴展和裂紋閉合，為此，必須詳細了解加工條件如何影響孔隙度，由于缺陷尺寸、形狀和位置等方面在確定零件疲勞壽命方，因此需要對其進行詳細描述，關于使用EB-PBF和DED工藝生產(chǎn)的鋼的HCF強，迄今為止報告的大部分工作都是關于使用LB-PBF工。
當通過AM生產(chǎn)的316L和304L等奧氏體不銹鋼的，其HCF強度可低至100 MPa，降低孔隙率和表面粗糙度將HCF強度提高到200至2，這與傳統(tǒng)制造的晶粒尺寸相似的鋼的HCF強度相似，Wood等人觀察到SR對HCF強度幾乎沒有影響，然而，與Ti6Al4V一樣。
噴丸處理可顯著提高HCF強度（20%-40%），通常，304L的HCF強度高于316L，與微觀結構相對較粗的鍛造或鑄造工藝相比，許多AM工藝（尤其是AB狀態(tài)）固有的精細微觀結構導，值得注意的是。
粗糙度誘導的閉合效應與AM生產(chǎn)金屬中常見的細觀結構，例如Ti6Al4V中由于AlSi10Mg和Al12，近閾值行為的改善直接影響材料對缺陷和表面粗糙度的敏，從而影響疲勞壽命，在AB條件下，LB-PBF Ti6Al4V的HCF強度明顯低于鍛。
改善表面光潔度可顯著提高合金的HCF強度（200–，Gong等人報告，通過提高密度，LB-PBF和EB-PBF Ti6Al4V分別從4，即使零件受到SR，也未觀察到HCF行為的明顯改善，這表明殘余應力在確定HCF強度方面不起關鍵作用，8.3。
鎳基高溫合金，Ganesh等人研究了LB-DED Inconel，發(fā)現(xiàn)在較低的應力強度范圍下，F(xiàn)CG行為明顯低于其鍛造的同類，而在m 為~ 3.2的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下。
則沒有觀察到差異，近閾值FCG發(fā)生在宏觀裂紋擴展方向的柱狀面片上，這些合金的一個顯著特征是，經(jīng)過非最佳熱處理后，細小的非平衡Laves顆?？梢粤粼谥чg區(qū)域，這些區(qū)域會成為相對較弱的部位，在拉伸試驗中引發(fā)斷裂，并可能促進近閾值區(qū)域的FCG。
參考文獻：D.D，Gu，W，Meiners，K，Wissenbach，R，Poprawe。
Laser additive manufactur，processes and mechanisms，Int，Mater，Rev.，57 (2012)。
pp，133-164，很少有證據(jù)表明AM-Inconel合金的微觀結構屬，包括Laves和δ相的存在，以及HCF強度，由于晶體織構較弱，晶粒尺寸、孔隙度、δ沉淀含量和晶界是可能決定疲勞強，一方面。
AM材料呈現(xiàn)出更細的晶粒結構，疲勞性能有望更好，然而，孔隙度和δ沉淀物的大量含量可能會克服這種積極影響，在某些情況下，疲勞失效是由于氧化物/碳化物夾雜引起的裂紋萌生。
已知碳化物會在鍛造和鑄造合金中引發(fā)疲勞裂紋，它們的存在可能源于粉末本身，而不是LB-PBF過程，這些類型的夾雜物很脆，易于裂紋萌生，類似于孔隙。
什么是主要的 Inconel 類型
Inconel 617是一種鎳鉻鈷鉬合金，在高溫下具有優(yōu)異的機械性能，該合金還表現(xiàn)出抗氧化和碳化等高溫腐蝕性能，Inconel 718是一種添加了鈮和鉬的沉淀硬化，它在650°C以下的溫度下具有高強度和良好的韌性，Inconel 718 在低溫和高溫環(huán)境中均表現(xiàn)出，交付狀態(tài)可以是固溶處理或沉淀硬化，Inconel 725是一種鎳鉻鉬鈮合金。
具有優(yōu)良的耐腐蝕性和耐應力腐蝕性能，時效熱處理可以大大提高合金的強度、延展性和抗拉強度，Inconel 690耐氯化物腐蝕、高溫高壓水應力，這種合金常用于核廢料處理廠、蒸汽發(fā)生器和耐硝酸部件，Inconel 601GC是 Inconel 60，Inconel 601具有優(yōu)異的高溫抗氧化性。
良好的抗碳化能力，良好的抗氧化含硫氣氛，良好的室溫和高溫機械性能，由于控制碳含量和晶粒尺寸，具有良好的抗應力腐蝕開裂性。
Inconel 601 具有高蠕變斷裂強度，適用于溫度高于 500 °C 的應用，Inconel X-750具有良好的耐腐蝕性和抗氧，在 980°C 以下具有良好的強度，此外。
Inconel X-750還具有良好的低溫性能和成，主要用作航空航天和工業(yè)燃氣輪機部件，本文將繼續(xù)介紹另一種鎳合金 Inconel，分別是Inconel 600、Inconel 60，特種鋼-雙相不銹鋼廠家-耐熱不銹鋼價格-鎳基合金-，Inconel 600是一種固溶強化耐熱耐腐蝕合金，具有良好的高溫耐蝕性、抗氧化性、冷熱加工性能、低溫，具有650℃以下強度高、成型性好、易焊接等特點。
適用于熱處理和化學加工工業(yè)設備，Inconel 740H通過伽馬初級和次級相的沉淀，時效強化后，740H合金在低于850℃的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫，740H合金中含有高含量的鉻和鈷，在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化、碳化和硫化性能，Inconel 783是一種具有低熱膨脹系數(shù)的抗氧。
專為渦輪機應用而開發(fā)，添加鈮和鋁后，783合金的強度可以通過沉淀硬化熱處理來增強，此外，其中所含的鋁使其在高溫下具有出色的抗氧化性。
783 合金的密度比超級合金 718 小約 5%，Inconel 751是一種類似于合金 750 的，具有良好的耐磨性、強度和耐腐蝕性以及高溫下的熱硬度，主要用于內(nèi)燃機排氣門，Inconel 625具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性。
從低溫到980°C的良好拉伸和疲勞性能，以及在鹽氣氛中的抗應力腐蝕性能，Inconel 686是一種低碳鎳鉻鉬鎢合金，具有顯著的抗一般腐蝕、應力腐蝕開裂、點蝕和縫隙腐蝕，它還在含有鹵化物的環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的耐腐蝕性。
此外，Inconel 686 耐海水和其他海洋環(huán)境，廣泛應用于化工生產(chǎn)、海洋、空氣污染控制（煙氣脫硫）。
關于增材制造金屬的斷裂和疲勞（4）什么是主要的 Inconel 類型的內(nèi)容就介紹到這里！
